138억 년 우주 역사에서 빅뱅 직후 최초의 6억 7000만 년은 여전히 베일에 싸여 있다. 우주를 여든 살 노인에 비유하면 네 살 정도일 때다. 그런데 이 무렵에 이미 태양 1조 개에 맞먹는 빛을 내뿜는 괴물 천체들이 존재했다는 사실이 확인됐다. 유럽우주국(ESA), 미국 캘리포니아 산타바바라대(UCSB), 네덜란드 레이던대 공동 연구팀은 유클리드 우주망원경이 지금까지 발견된 것 중 가장 오래된 퀘이사 31개를 무더기로 찾아냈다고 7일 밝혔다. 이 중 거대 블랙홀이 동력원인 은하핵 2개는 우주의 나이가 현재의 5%에 불과한 6억 7000만 년이었을 때 태양 1조 개에 맞먹는 빛을 내뿜고 있었다. 이 연구 결과는 천문학 분야 국제 학술지 ‘천문학과 천체물리학’ 7월 6일 자에 실렸다. 퀘이사는 우주에서 가장 밝고 에너지가 넘치는 천체로 은하 중심의 초대질량 블랙홀이 주변 물질을 대량으로 집어삼키는 과정에서 만들어진다. 퀘이사는 은하의 일생에서 짧게 지나가는 한 단계지만 초대질량 블랙홀로 대량의 물질이 소용돌이치며 빨려 들어가면서 막대한 에너지가 방출돼 극단적으로 밝은 빛을 낸다. 이에 엄청난 우주적 거리에서도 관측이 가능하다. 자기가 속한 은하 전체보다 수백 배에서 수천 배 밝게 빛나는 경우도 흔히 볼 수 있다. 퀘이사는 초대질량 블랙홀이 어떻게 형성되는지 이해하는 데 가장 좋은 단서를 제공하기 때문에 천체물리학자들의 관심 대상이다. 그러나 태양 질량의 수십억 배에 달하는 괴물 천체들은 우주가 유아기였을 때도 존재하고 있었는데 어떻게 그토록 빨리, 그리고 거대하게 자라는지는 명확히 알지 못한다. 더군다나 빅뱅 후 약 7억 7000만 년 이전에는 퀘이사를 만들 만큼 크게 자란 은하 자체가 거의 없어 이 시기 퀘이사는 극히 드물다. 설령 존재하더라도 원시 퀘이사의 빛은 희미한 데다 우리와 가까이 있는 별들의 신호와 혼동되기 쉬워 탐지가 어려웠다. 2023년 ESA는 암흑물질과 암흑에너지의 비밀을 풀기 위해 유클리드 우주망원경을 발사했다. 유클리드는 지구 대기의 적외선 방해가 없는 우주에서 넓은 하늘을 깊게 훑을 수 있어 초기 우주 천체 탐색에서 최적의 도구다. 유클리드의 광역 탐사 데이터를 분석한 결과 우주 나이가 현재 5%에 불과했던 초기 우주에서 31개의 새로운 퀘이사를 발견했다. 그중 가장 오래된 두 천체인 ‘EUCL J172902.75+641018.1’과 ‘EUCL J125308.55+705432.3’의 적색이동은 각각 7.77과 7.69로 역대 가장 오래된 퀘이사로 확인됐다. 적색이동(redshift)은 우주 팽창으로 천체의 빛 파장이 붉은 쪽으로 늘어나는 정도를 의미하는데 값이 클수록 더 멀고 오래된 천체다. 적색이동 7은 우주 나이가 현재의 6%도 안 되던 시점에 해당한다. 둘 다 130억 광년이 조금 넘는 거리에 있으며 우주 최초 6억 7000만 년 사이에 모습을 드러낸 것으로 밝혀졌다. 이 가운데 두 번째로 오래된 퀘이사를 정밀 관측한 결과 먼지와 가스로 가득 차 맹렬하게 새 별을 만들고 있는 은하 속에 파묻혀 있는 것으로 확인됐다. 초기 초대질량 블랙홀을 품은 모(母)은하가 어떤 모습일지 짐작게 하는 부분이다. 이번 발견으로 인류가 아는 적색이동 7 이상의 퀘이사 수는 단숨에 두 배 이상으로 늘었다. 지금까지는 적색이동 7 이상, 즉 우주 최초 7억 7000만 년에 해당하는 시기의 퀘이사를 10개 정도 찾는 데 10년 넘게 걸렸지만 유클리드는 1년 만에 그보다 더 많은 수의 퀘이사를 발견했다는 점도 이번 연구에서 눈길을 끄는 부분이다. 연구팀은 수천만 개 광원 속에서 퀘이사와 거의 똑같아 보이는 별들을 걸러내는 기계학습 알고리즘을 수년에 걸쳐 개발했으며 새 퀘이사의 3분의 2는 미국 하와이 켁(Keck) 망원경 후속 관측으로 확인됐다. 이 퀘이사들은 ‘재이온화 시기’로 불리는 우주사의 전환기에 존재했다. 최초의 별과 은하들이 내뿜은 빛이 초기 우주를 채우고 있던 차갑고 어두운 중성 수소 안개를 걷어내던, 오늘날 우주의 무대가 마련된 결정적 시기다. 연구를 이끈 조지프 헤너위 미국 UCSB 물리학과 교수는 “우주가 이제 막 시작됐을 무렵에 태양 질량의 수억 배에 달하는 블랙홀들이 발견되고 있는 등 시간을 거슬러 올라갈수록 퍼즐은 더 난해해진다”며 “적색이동 8, 즉 우주 최초 6억 3000만 년 이내의 퀘이사를 찾는 것이 다음 목표”라고 밝혔다.

NASA 스피처우주망원경, 130억년 전 우주의 빛 관측 성공빅뱅으로 우주가 처음 만들어져 확장되기 시작할 무렵 원시우주는 그동안 예상됐던 것보다 밝았던 것으로 확인됐다. 스위스 제네바대 천문학과, 덴마크 닐스보어연구소, 호주 스윈번공과대 천체물리학 및 슈퍼컴퓨터센터, 네덜란드 라이덴대 천문대, 칠레 칠레국립대 천문학과, 카미노천문대, 영국 케임브리지대 캐번디쉬연구소, 카브리우주연구소, 미국 캘리포니아 산타크루즈대(UC산타크루즈) 릭천문대 공동연구팀은 미국 항공우주국(NASA)에서 운영하는 스피처우주망원경을 이용해 관측한 결과 우주 초기은하 중 일부는 예상보다 밝았던 것으로 확인됐다고 10일 밝혔다. 이번 연구결과는 천문학 분야 국제학술지 ‘영국 왕립천문학회 월간보고’(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 최신호에 실렸다. 연구팀은 재이온화 시대가 끝나기 직전의 모습을 관측하기 위해 우주의 두 지점을 선택해 200시간 이상 관측한 결과 빅뱅 이후 10억년이 흐른 시점으로 알려진 130억년 전 빛을 포착하는데 성공했다. 연구팀이 포착한 빛은 빅뱅 직후 만들어진 별은 아니지만 원시 우주에서 생성된 별에서 나오는 빛으로 분석결과 당시 원시 은하가 예상보다 밝게 빛난다는 사실을 확인했다. 당초 빅뱅 직후 초기 원시은하는 상당히 어두운 상태였던 것으로 알려져 있었지만 이번 관측으로 일부 은하는 오늘날 우리가 볼 수 있는 은하계보다도 밝은 것으로 조사되기도 했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 중성 수소로 가득찬 우주에서 이온화된 수소로 채워진 우주로 전환되는 재이온화 시대를 만들어 낸 에너지의 근원도 찾아낼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 실제로 이번 연구는 오늘날 우리가 알고 있는 화려한 우주를 만들어 놓은 중요한 사건인 ‘재이온화 시대’에 대한 단서를 제공하는 것으로 천문학자들의 주목을 받고 있다. 초기 원시우주에서 별이 탄생하고 최초의 별과 은하, 블랙홀이 형성될 때 수소 원자가 중성 상태에서 양성자와 전자로 분리되는 ‘재이온화’가 이뤄졌다. 재이온화가 일어난 시기는 대략 빅뱅 이후 2억~10억년 사이로 추정되고 있지만 재이온화를 촉발한 에너지의 원천은 여전히 밝혀지지 않고 있는 상황이다. 2021년 발사될 제임스 웹 우주망원경은 스피처가 관찰한 것보다 다양한 파장에서 별을 관측할 수 있기 때문에 우주 생성 직후 초기우주 연구에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다. 파스칼 외쉬 스위스 제네바대 교수는 “이번 연구는 우주의 진화에 중요한 시기인 재이온화 시기에 대한 비밀을 풀어낼 단초가 될 것”이라며 “초기 은하계의 물리적 조건이 현재 우리가 맞닥뜨리고 있는 은하계와는 매우 다르다는 것을 알 수 있으며 2021년 발사될 제임스 웹 우주망원경이 그 비밀을 풀어 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

초기 우주 모습을 간직한 역대 가장 희미한 은하가 발견됐다. 미국 캘리포니아대학 데이비스캠퍼스(UC데이비스)와 로스앤젤레스캠퍼스(UCLA)의 교수들이 참여한 국제 연구팀이 하와이 W.M.켁 천문대에 있는 천체망원경을 사용해 130억 년 전에 존재했던 가장 희미한 은하를 발견했다고 ‘천체물리학저널 레터’(ApJL) 최신호(5월18일자)에 발표했다. 이에 대해 이 연구의 공동저자 토마소 트로이 UCLA 물리·천문학부 교수는 “이번 발견으로 ‘우주 암흑기’로 알려진 기간이 어떻게 끝났는지 천문학계의 가장 큰 수수께끼 중 하나를 푸는데 한 걸음 더 나갈 수 있게 됐다”고 말했다. 연구팀은 ‘중력렌즈’ 효과를 사용해 빅뱅(대폭발) 직후 탄생한 희미한 이 은하를 찾아낼 수 있었다. 중력렌즈 효과는 100년 전 아인슈타인이 일반상대성이론에서 예언한 것으로, 빛이 렌즈에 의해 굴절하는 것처럼 중력에 의해 굴절하는 현상을 말한다. 이 은하는 MACS2129.4-0741로 알려진 한 은하단 뒤에 숨어 있었다. 은하단은 이번 은하의 이미지를 3개나 만들 수 있을 만큼 거대하다. 빅뱅 이론에 따르면, 초기 우주는 확장하면서 차가워졌다. 트로이 교수는 이런 현상이 일어남으로써 양성자들이 전자들을 붙잡아 경수소를 형성했고 초기 우주는 방사선을 안 보이게 만들어 ‘우주 암흑기’가 시작됐다고 설명했다. 또 “그로부터 몇 억 년이 지난 어느 시기에 최초의 별들이 탄생했고 이 별들은 수소를 이온화할 수 있는 자외선을 생산하기 시작했다”면서 “결국, 충분한 별들이 생겼을 때 이 별들은 은하계 사이의 모든 수소를 이온화할 수 있었고 이제 우리가 보는 초기 우주를 만든 것”이라고 말했다. ‘우주의 재이온화’로 불리는 이 과정은 약 130억 년 전 일어났다. 하지만 과학자들은 이 과정이 일어날 만큼 별들이 충분히 많았는지 아니면 우주의 가스가 초질량 블랙홀들에 흡수될 때 발생하는 더 특이한 빛에 의한 것인지를 지금까지 알아내지 못했었다. 이에 대해 트로이 교수는 “현재, 가장 가능성이 큰 추측은 다른 희미한 은하들 역시 그 안에 있는 별들을 중력렌즈 증폭 없이 망원경들로 보면 너무 희미하다는 것”이라면서 “이 연구는 그런 은하들의 존재를 입증하기 위해 중력렌즈 효과를 활용한 것으로 수수께끼를 풀기위한 중요한 단계에 있는 것”이라고 말했다. 사진=브라닥/허블 우주망원경/W.M.켁 천문대 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

-우주탄생에서 불과 6억년 후의 모습 허블 우주망원경이 우주가 태어난 지 얼마 되지 않은 '우주의 새벽'을 촬영하는 데 성공했다. 이 놀라운 이미지는 미 항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)이 중력 렌즈를 사용해 잡아낸 초창기 원시은하들의 모습을 보여주고 있다. 이들 원시 은하는 빅뱅 이후 6억년밖에 지나지 않았을 때 태어난 것으로, 허블 망원경이 이제껏 잡아낸 어떤 은하보다도 먼 거리에 있는 은하들이다. 우주에서는 시간이 곧 공간이므로 이 은하들의 나이는 130억년이 넘는다는 뜻이다. 연구진은 이 작은 은하들이 지금의 우주를 만든 데에 결정적인 역할을 한 것으로 보고 있다. 스위스 로잔 공과대학의 하킴 아텍 교수가 이끄는 국제적인 연구진은 빅뱅 이후 6억년에서 9억년 사이의 공간에서 이같은 작은 은하들을 250개 이상 발견했다. 지금까지 발견된 은하들 중 가장 오랜 은하들이다. 이들 은하에서 출발한 빛은 적어도 120억년 이상의 시간을 날아서 망원경에 포착된 셈인데, 이는 곧 천문학자들이 120억년 이전의 과거에 존재했던 아기 우주의 모습을 보고 있다는 뜻이다. "허블 망원경이 잡은 심우주의 은하들 중에서 이보다 더 오랜 은하들은 없습니다." 하고 프랑스 리옹 천문대의 요한 리차드가 밝혔다. 이들 은하에서 온 빛을 모아 분석해본 결과, 연구진은 이 원시 은하의 빛이 초창기 우주의 역사에서 미스터리에 싸인 기간, 곧 재이온화 시기에 중요한 역할을 했다는 사실을 발견했다. 초기 원시우주에서 탄생한 최초의 별(항성)과 은하가 우주 공간에 강력한 자외선을 방출하면서 우주 온도가 높아지면, 우주는 다시 이온화의 과정을 겪게 되는데, 이를 ‘재이온화’라고 부른다. 재이온화가 진행되면 수소의 양성자에서 분리된 전자로 인해 우주는 다시 빛이 직진할 수 없는 불투명한 상태가 된다. 이번 연구에서 관측된 원시은하의 자외선을 조사하면 이 은하들이 진화의 과정에 있는지 알 수 있게 된다. 연구진은 상당한 확신을 가지고, 이들 원시은하들이 초창기 우주를 투명하게 하는 데 중요한 역할을 했으며, 재이온화 시기는 빅뱅 이후 7억년 시점에서 끝났다는 결론을 내렸다. 이 같은 발견의 뒤에는 연구진이 활용한 중력 렌즈의 역할이 컸던 것으로 알려졌다. 허블 심우주 관측 프로젝트의 일환으로 연구진은 심우주에 있는 3개의 은하단을 중력 렌즈로 활용했다. 은하단의 무거운 질량으로 인해 빛이 휘어지는 현상이 일어나는데, 이것이 확대 렌즈의 역할을 하게 되는 것을 일컬어 중력 렌즈라 한다. 중력 렌즈를 최초로 예측한 사람은 상대성이론을 완성한 아인슈타인이었다. 연구진은 이 중력 렌즈를 이용해 해상도 높은 원시은하 이미지를 얻을 수 있었다. 제1세대 은하를 관측, 연구하려면 이 중력 렌즈의 역할이 필수적이다. "심우주의 은하단은 강력한 천연 망원경이다. 이들의 도움이 없으면 초창기 우주의 모습을 볼 수가 없다"고 스위스 로잔 공과대학의 얀-폴 크나이브 박사가 밝혔다. 이광식 통신원 joand999@naver.com

사상 처음으로 초기 우주 속에서 별이 형성되는 있는 상태의 가스 구름이 포착됐다.　 최근 영국 케임브리지 대학 등 국제공동연구팀은 우주 빅뱅 후 처음 등장한 '첫세대 은하'를 관측하는데 성공했다고 발표했다. 빅뱅 후 약 8억년이 지난 생성된 이 은하의 이름은 'BDF 3299' 로 칠레에 위치한 세계 최고 성능의 전파망원경 ‘알마‘(ALMA)로 처음 모습을 드러냈다. 이론적으로 보면 137억 년 전 빅뱅이 일어난 초기 우주에는 수소 가스로 만들어진 구름같은 안개가 가득 차 있었다. 이후 블랙홀과 별 등이 생겨나면서 생성된 강력한 자외선에 의해 이 안개들이 걷히게 되는데 이 과정을 '재이온화 시기'(epoch of reionization)라고 부른다. 이번 연구팀의 성과는 바로 첫세대 은하가 생성돼 안개들을 걷어내는 재이온화 과정을 실제로 관측하는데 성공한 것이다. 이번 논문의 공동저자 이탈리아 공립 엘리트 교육기관인 고등사범학교 안드레아 페라라는 "빅뱅 후 채 10억 년도 되지 않은 초기 은하의 형성 과정을 우리가 지켜보고 있는 것" 이라면서 "사상 처음으로 초기 은하를 하나의 작은 점이 아니라 내부 구조물 수준으로 보게된 것" 이라고 의미를 부여했다. 이어 "이번 관측은 그간 이론적으로만 연구해 오던 초기 우주에서의 첫세대 은하와 별들의 상호 작용과 형성 과정을 이해하게 해주는 단초가 될 것" 이라고 덧붙였다. 　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

우주 퀘이사 중심에서 거대한 규모의 블랙홀이 발견됐다. 퀘이사는 지구에서 관측할 수 있는 가장 먼거리에 있는 천체로, 수많은 별들로 이뤄진 은하다. ‘SDSS J0100+2902’ 라고 명명된 이 블랙홀은 지구에서 128억 광년 떨어진 곳에 위치하고 있으며, 그 질량이 태양의 120억배에 달하는 것으로 알려졌다. 이를 처음 발견한 오스트레일리아국립대학의 푸얀 비엔 박사 연구진은 이 블랙홀이 먼 우주에서 가장 밝은 광원체로서 ‘등대’와 같은 역할을 한다고 설명했다. 연구진에 따르면 퀘이사 중심에 있는 이 블랙홀은 엄청난 중력을 자랑하며, 태양보다 질량이 훨씬 큰 만큼 태양이 발산하는 에너지와 비교하기 어려울 정도의 강한 에너지를 뿜어내는 것으로 알려졌다. 이 블랙홀은 매우 짧은 시간 동안 거대한 질량의 초대형 블랙홀로 성장한 것으로 추측된다. 이러한 블랙홀이 탄생한 시기는 ‘재이온화 시기’(epoch of reionisation)로 추정된다. 초기의 원시우주에서 별이 탄생하고, 이 최초의 별(항성)과 은하가 우주 공간에 강력한 자외선을 방출하면서 우주 온도가 높아졌다. 이후 우주는 다시 이온화의 과정을 겪는데 이를 ‘재이온화’라고 부른다. 재이온화 시기는 빅뱅 이후 2억~10억년 사이로 추정한다. 비엔 박사 연구진은 이 거대한 블랙홀이 이 시기에 해당하는 약 9억 년 전 만들어진 것으로 보고 있다. 연구진은 엄청난 질량의 블랙홀뿐만 아니라 이 대형 블랙홀을 품고 있는 퀘이사에도 큰 관심을 보이고 있다. 함께 연구를 진행한 중국 베이징대학교의 우쉐빙 교수는 “이 퀘이사는 매우 독특한 형태라고 볼 수 있다. 빅뱅 이후 불과 9억년 만에 이러한 형태의 퀘이사 및 블랙홀이 형성된 이유를 밝힌다면 초기 우주의 기원을 연구하는데 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다. 한편 이번 연구결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’에 실렸다. 　 송혜민 기자 huimin0217@seoul.co.kr

가장 오래된 은하 중 하나에서 우주 먼지가 처음으로 발견됐다. 이 먼지는 초기 우주 형성에 관한 비밀을 풀 결정적 단서가 될 것이라고 천문학자들은 말한다. 덴마크 코펜하겐대 다라흐 왓슨 박사가 이끄는 천문학 연구팀이 유럽남방천문대(ESO)의 초대형망원경(VLT)에 설치된 관측 장비 ‘X-슈터’와 칠레 아타카마 사막에 있는 알마(ALMA) 망원경의 데이터를 사용해 관측 사상 가장 먼 은하 중 하나인 ‘A1689-zD1’을 분석했다. 그 결과, 이 은하는 예상보다 훨씬 빨리 진화한 것으로 나타났다. 특히 이 은하는 우리 은하와 같은 매우 성숙한 은하와 비슷할 정도의 먼지를 포함하고 있었다. 이런 먼지는 별과 행성을 이루는 복잡한 분자의 형성에 도움이 되므로 생명 존재의 기초가 되기도 한다. 천문학자들이 가장 먼 은하 중 이 은하를 조사 대상으로 선택한 이유는 중력 렌즈 효과 때문. 이 은하와 지구 사이에는 거대 은하단 ‘아벨 1689’가 있어 이 은하의 밝기는 9배까지 증폭된다. 만일 중력 렌즈 효과를 이용할 수 없었다면 너무 멀리 있어 희미한 이 은하에서 빛을 감지할 수 없었을 것이다. 우리가 지금 보고 있는 이 은하의 모습은 약 131억년 전으로 우주의 나이가 아직 약 7억 살(현재 5%)밖에 되지 않았을 때의 것이다. 이 은하는 비슷한 시기 다른 은하와 비교하면 질량은 물론 밝기도 작다. 그러므로 이 시대의 평범한 은하를 보고 있는 것으로 간주한다.　이 은하는 ‘우주의 재이온화’ 중에 있는 은하로 여겨진다. 우주의 재이온화는 중성이었던 우주가 초기 별들의 빛에 의해 이온화돼 우주의 암흑시대가 끝났음을 알리는 현상이다. 이 시기의 은하를 관측하므로 연구팀은 신생아 같은 은하의 모습이 보일 것으로 예상했으나 뜻밖에 화학적으로 복잡하고 다량의 먼지를 포함하고 있는 것이 포착된 것이다. 왓슨 박사는 “초대형망원경(VLT)을 사용해 이 은하까지의 거리를 측정한 뒤 똑같은 천체가 알마 망원경으로 관측되고 있었다는 것을 깨달았다. 많은 기대를 하지 않았지만 우리는 알마 망원경이 그 은하를 관찰하고 있었을 뿐 아니라 제대로 전파를 감지하고 있었다는 것을 알고 매우 흥분했다”며 “알마 망원경의 주요 목표 중 하나는 초기 우주의 차가운 가스와 먼지의 방출 중에서 은하를 찾는 것으로, 우리는 바로 그것을 발견하게 된 것”이라고 말했다. 알마 망원경의 관측으로 우주의 '아기'라고도 말할 수 있는 이 은하는 의외로 조숙하다는 것을 알게 됐다. 이 나이의 은하는 일반적으로 수소와 헬륨보다 무거운 원소(금속)가 적은 것으로 예상됐다. 무거운 원소는 별의 내부에서 생산돼 별이 폭발하거나 다른 형태로 죽음을 맞이할 때 광범위하게 흩뿌려진다. 탄소, 산소나 질소와 같은 무거운 원소가 충분한 만들어지려면 별이 몇 세대에 걸쳐 이 과정을 반복해야 한다. 놀랍게도 A1689-zD1은 원적외선으로 매우 밝고 이 은하에서 이미 많은 별이 태어나 이에 따라 상당한 양의 금속을 생성한 것을 보여줬다. 또 먼지가 검출됐을뿐 아니라 가스와 먼지의 비율이 더 성숙한 은하와 비슷한 수치를 나타내고 있는 것도 알게 됐다. 왓슨 박사는 “이 은하 먼지의 정확한 기원은 명확하지 않지만, 우리의 발견은 우주에서 별의 형성이 시작된 뒤 불과 5억 년 이내에 먼지 형성이 매우 빠르게 일어나는 것을 보여준다”며 “대부분 별의 수명이 수십억 년임을 생각하면, 이는 매우 짧은 시간 동안 생긴 일이라고 말할 수 있다”고 말했다. 이 발견은 A1689-zD1가 빅뱅 뒤 5.6억 년이 경과 한 이후 지속적으로 일정한 비율로 별을 형성해왔거나 아주 짧은 사이에 극단적인 스타 버스트(폭발적 항성) 시기를 맞이한 뒤 별 형성 활동이 약해진 것일 수 있다. 이 관측 결과가 나올 때까지 천문학자들은 이런 방법으로 매우 먼 은하를 발견하는 것은 불가능한 것이라고 우려하고 있었지만, A1689-zD1는 알마 망원경에 의한 단시간 관측에서 검출된 것이다. 이번 연구에 참여한 스웨덴 찰머스공과대의 키르스텐 크누센 부교수는 “이 놀라운 먼지가 많은 은하는 너무 서둘러 첫 번째 세대의 별을 만든 것 같다. 앞으로 알마 망원경에 의해 이런 은하를 더 많이 발견할 수 있고 그들이 왜 그렇게 서두르며 살고 있는지 이해할 수 있게 될 것”이라고 설명했다. 한편 이번 연구성과는 세계적인 학술지 네이처(Nature) 2일 자에 실렸다. 사진=NASA/ESA/L. Bradley(Johns Hopkins University)/R. Bouwens(University of California, Santa Cruz)/H. Ford(Johns Hopkins University)/G. Illingworth (University of California, Santa Cruz) 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

우주 퀘이사 중심에서 거대한 규모의 블랙홀이 발견됐다. 퀘이사는 지구에서 관측할 수 있는 가장 먼거리에 있는 천체로, 수많은 별들로 이뤄진 은하다. ‘SDSS J0100+2902’ 라고 명명된 이 블랙홀은 지구에서 128억 광년 떨어진 곳에 위치하고 있으며, 그 질량이 태양의 120억배에 달하는 것으로 알려졌다. 이를 처음 발견한 오스트레일리아국립대학의 푸얀 비엔 박사 연구진은 이 블랙홀이 먼 우주에서 가장 밝은 광원체로서 ‘등대’와 같은 역할을 한다고 설명했다. 연구진에 따르면 퀘이사 중심에 있는 이 블랙홀은 엄청난 중력을 자랑하며, 태양보다 질량이 훨씬 큰 만큼 태양이 발산하는 에너지와 비교하기 어려울 정도의 강한 에너지를 뿜어내는 것으로 알려졌다. 이 블랙홀은 매우 짧은 시간 동안 거대한 질량의 초대형 블랙홀로 성장한 것으로 추측된다. 이러한 블랙홀이 탄생한 시기는 ‘재이온화 시기’(epoch of reionisation)로 추정된다. 초기의 원시우주에서 별이 탄생하고, 이 최초의 별(항성)과 은하가 우주 공간에 강력한 자외선을 방출하면서 우주 온도가 높아졌다. 이후 우주는 다시 이온화의 과정을 겪는데 이를 ‘재이온화’라고 부른다. 재이온화 시기는 빅뱅 이후 2억~10억년 사이로 추정한다. 비엔 박사 연구진은 이 거대한 블랙홀이 이 시기에 해당하는 약 9억 년 전 만들어진 것으로 보고 있다. 연구진은 엄청난 질량의 블랙홀뿐만 아니라 이 대형 블랙홀을 품고 있는 퀘이사에도 큰 관심을 보이고 있다. 함께 연구를 진행한 중국 베이징대학교의 우쉐빙 교수는 “이 퀘이사는 매우 독특한 형태라고 볼 수 있다. 빅뱅 이후 불과 9억년 만에 이러한 형태의 퀘이사 및 블랙홀이 형성된 이유를 밝힌다면 초기 우주의 기원을 연구하는데 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다. 한편 이번 연구결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’에 실렸다. 　 송혜민 기자 huimin0217@seoul.co.kr

천문학자와 이론물리학자는 ‘우주의 근원’이라는 충분히 현학적인 의문에 도전하는 사람들이다. 그들은 오늘을 살아가는 데 바쁜 사람들 속에서 137억년 전쯤으로 알려져 있는 태초에 어떻게 우주가 생겨났는지를 궁금해하고, 그 의문에 답하기 위해 끊임없이 연구한다. 직접 실시간으로 볼 수 없으니 새로운 기계를 만들어 내고, 머릿속에서 새로운 가설을 구성한다. 하지만 목동이 양을 치며 별을 바라보던 시절부터 수천년이 넘게 지났음에도 과학자들은 우리가 살고 있는 우주에 대해 극히 일부만을 알아냈을 뿐이다. 과학저널 사이언스는 이달 초 ‘현대 천문학의 8가지 수수께끼’라는 글을 통해 오늘날 천문학자들이 가장 궁금해하는 내용을 다뤘다. 이들 중 일부는 완전한 미궁 속에 빠져 있으며 실제로 존재하지 않는 상상의 산물일 수도 있고, 또 다른 일부는 곧 우리 앞에 실체를 드러낼 수도 있다. 1920년대 천문학자인 에드윈 허블은 우주가 팽창한다고 여겼다. 그는 변광성을 관측해 우주가 과거에 비해 더 빠르게 팽창하며, 은하들은 더 멀어지고 있다고 주장했다. 1998년 그의 이름을 딴 미항공우주국(NASA)의 허블 우주망원경은 초신성을 관측해 과거의 우주가 현재에 비해 훨씬 천천히 움직이고 있었다는 사실을 입증했다. 현대 천문학자들의 첫 번째 수수께끼인 ‘암흑에너지’(dark energy)의 존재는 여기에서 출발한다. 물질은 중력을 가지고 있고 빅뱅(대폭발)의 힘으로 팽창을 시작한 우주는 결국 은하들의 중력에 의해 다시 수축하는 것이 당연해 보인다. 하 지만 우주는 점차 빠르게 가속 팽창하고 있다. 이 때문에 학자들은 보통의 물질과 달리 서로 밀어내는 척력을 가진 에너지를 새롭게 생각해 내고 이를 암흑에너지라고 불렀다. 1998년 도입된 암흑에너지 이론은 아직까지 직접적으로 존재가 입증된 적은 없다. 학자들은 계산을 통해 암흑에너지가 전체 우주의 73%를 지배하고 있는 것으로 추정하고 있다. (2)암흑 물질의 온도는? -높은 온도를 가졌다면 보일텐데 두 번째 수수께끼는 암흑에너지와 비슷한 이름을 가진 ‘암흑물질’(dark matter)의 온도이다. 1960년대 초 천문학자들은 뉴턴의 만유인력의 법칙을 따르지 않는 은하들을 발견했다. 엄청나 속도로 움직이는 이들 은하가 만약 만유인력의 법칙을 따른다면, 이들은 당장 해체돼야 마땅했다. 비슷한 시기에 미국 워싱턴 카네기연구소의 베라 루빈 박사 역시 태양계가 속해 있는 은하의 움직임이 비정상적이라는 사실을 확인했다. 두 현상 모두 망원경으로 실제 관측이 가능한 것보다 훨씬 더 많은 물질이 보이지 않는 공간을 채우고 있어야만 설명이 가능한 상황이었다. 이를 기반으로 루빈은 우주의 총질량은 우리가 보는 것보다 10배 이상 크다는 새로운 이론을 제시했다. 보이지 않는 물질은 암흑물질로 부르기로 했다. 루빈의 이론은 후속 연구를 거듭한 끝에 1978년 천문학계의 주류학설이 됐다. 그 후로 30년이 넘는 시간이 지났지만 암흑물질이 수수께끼로 남아 있는 이유는 암흑에너지와 마찬가지로 뚜렷한 입증이 불가능하고 부수적인 효과로 입증해야 한다는 점 때문이다. 특히 암흑물질의 온도를 알아내는 것이 중요하다. 암흑물질이 높은 온도를 가지고 있다면 이는 빛이 눈에 보인다는 뜻이다. 반대로 온도가 매우 낮은 상태로 유지된다면 유독 암흑물질만 온도가 낮게 유지될 수 있는 이유를 밝혀 내야 한다. (3)사라진 중입자는 어디에 -은하 사이 다른 형태로 숨어있나 세 번째 수수께끼 역시 앞서 얘기한 암흑물질과 암흑에너지의 영향권 내에 있다. 암흑에너지와 암흑물질이 우주에서 차지하는 질량은 95%에 이른다. 결국 우리가 눈으로 볼 수 있는 별, 은하 등은 5% 수준이어야 한다. 문제는 실제 관측되는 양이 그 절반에도 미치지 못한다는 것이다. 천문학과 이론물리학자들은 이를 ‘사라진 중입자’(missing baryons)로 불리는 현상으로 설명하려고 한다. 중입자는 우주에서 관측이 가능한 물질의 대부분을 이루는 양자와 전자로 이뤄져 있다. 사이언스는 “학자들이 초기 우주에서부터 현재까지의 중입자 수를 관측한 결과 중입자는 우주 역사가 흘러가면서 점차 줄어들었다.”고 밝혔다. 학자들은 이들 중입자가 은하 사이에 또 다른 형태로 숨겨져 있다고 짐작하고 있다. (4)별은 어떻게 폭발하는가 -거대한 폭발, 그 원리는 미스터리 다음 수수께끼는 별의 죽음에 대한 ‘별은 어떻게 폭발하는가’이다. 전래 동화나 신화와 달리 별은 영원한 존재가 아니다. 나이 든 별이 죽을 때는 초신성 ‘슈퍼노바’라는 거대한 폭발을 일으키며 전체 은하보다 더 밝은 빛을 낸다. 오랜 시간 동안 과학자들은 초신성을 관측해 왔고, 이제는 컴퓨터를 통해 대략적인 과정을 재현할 수 있지만 그 원리는 여전히 미지의 영역이다. (5)재이온화는 어떻게 이뤄졌나 -역동의 우주가 안정되기까지 과정은 다음 수수께끼는 우주의 재이온화(re-ionization)이다. 빅뱅 이론은 137억년 전 엄청난 고온과 고밀도의 한 점에서 우주가 시작됐다는 전제를 갖고 있다. 이론에 따르면 빅뱅 직후 몇억년간 우주는 역동적인 변화를 겪으며 점차 안정적인 모습을 갖게 된다. 초기 우주를 가득 채웠던 수소가스의 안개가 걷히고 자외선이 투과될 수 있는 상태로 변해간 것으로 추정된다. 사이언스는 “약 40년 동안 양자와 전자의 상호 인력이 작용할 만큼 온도가 낮아졌고 중성수소가 생성됐다.”면서 “수억년 뒤 우주 물질들은 ‘광자를 투과할 수 있는 이온화 플라스마’ 상태가 됐고 오늘날까지 유지되고 있는데, 이는 재이온화라고 불리는 미지의 과정”이라고 설명했다. (6)고에너지 우주선의 기원은 (7)태양계엔 행성이 또 있을까 (8)태양의 코로나는 왜 뜨겁나 사이언스는 이 밖에 ‘고에너지 우주선(energetic cosmic rays)의 기원’, ‘태양계는 왜 특별한가’, ‘태양의 코로나는 왜 그렇게 뜨거운가’ 등을 나머지 수수께끼로 꼽았다. 지구를 포함한 태양계의 안쪽 행성 4개는 중심부가 금속이고 지각이 암반으로 구성돼 있지만 외곽의 4개 행성은 각각의 특성을 갖고 있다. 이처럼 태양계가 독특한 구성을 갖게 된 이유를 밝혀 낸다면 지구와 비슷한 또 다른 행성을 찾을 가능성이 높아진다. 또 태양의 외부 대기인 코로나는 섭씨 50만도에서 600만도의 열기를 내뿜지만 태양 표면보다 수백배 높은 온도를 낼 수 있는 이유는 정확하게 알려져 있지 않다. 사이언스는 “눈에 보이지 않는 태양 표면 아래에서 태양 자기장이 코로나의 온도를 높이는 역할을 하는 것으로 추정되지만 구체적인 원리나 확신은 없는 상태”라고 밝혔다. 박건형기자 kitsch@seoul.co.kr